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南京工程學(xué)院車(chē)輛工程系本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第五章 主減速器的設(shè)計(jì)
5.1 主減速器傳動(dòng)比與計(jì)算載荷的確定
5.1.1 主減速器傳動(dòng)比的確定
傳動(dòng)系最小傳動(dòng)比由下式進(jìn)行計(jì)算
(5-1)
式中，為輪胎半徑。
該客車(chē)輪胎可選用的型號(hào)為275/70R22.5，即輪胎名義斷面寬度為275，輪輞直徑為22.5inch，名義高寬比70%，則輪胎半徑計(jì)算為
則，，代入式（5-1）計(jì)算可得，又因直接擋為1，則，即主減速器傳動(dòng)比，可以采用單級(jí)主減速器。
傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比，需要滿(mǎn)足滿(mǎn)載最大爬坡度
(5-2)
變速器一擋時(shí)最大爬坡度為30%，即。本次設(shè)計(jì)采用原車(chē)型，變速器的速比范圍是1~5.82。
變速器最大傳動(dòng)比。
5.1.2 主減速器齒輪計(jì)算載荷的確定
汽車(chē)主減速器錐齒輪有格里林和奧利康兩種切齒方法，這里僅傳給格里森齒制錐齒輪計(jì)算載荷的三種確定方法。
1. 按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和最低擋傳動(dòng)比確定從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩
(5-3)
式中，為計(jì)算轉(zhuǎn)矩（）；為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（）；為計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋數(shù)，取法見(jiàn)表5-1[24]；為一擋傳動(dòng)比；為發(fā)動(dòng)機(jī)到萬(wàn)向傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)效率，取為90%；為液力變矩器的變矩系數(shù)，，為最大變矩系數(shù)；為分動(dòng)器傳動(dòng)比，具體取法見(jiàn)表5-1；為猛接離合器所產(chǎn)生的動(dòng)載系數(shù)，液力自動(dòng)變矩器：。
取，，，，，，，，代入式（5-3），得。
表5-1 與選取表
車(chē)型
高擋傳動(dòng)比與低擋傳動(dòng)比的關(guān)系
＞/2
1
＜/2
2
/2＞/3
2
/2＜/3
3
2. 按驅(qū)動(dòng)輪打滑轉(zhuǎn)矩確定從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩
(5-4)
式中，計(jì)算轉(zhuǎn)矩（）；為滿(mǎn)載狀態(tài)下一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋上的靜載荷（），; 為汽車(chē)最大加速度時(shí)的后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，乘用車(chē)：=1.2~1.4，商用車(chē)：=1.1~1.2；為輪胎與路面間的附著系數(shù)，對(duì)于安裝一般輪胎的公路用汽車(chē)，在良好的混凝土或?yàn)r青路上，可取為0.85，對(duì)于安裝防側(cè)滑輪胎的乘用車(chē)，可取為1.25，對(duì)于越野車(chē)，取變化較大，一般取1；為車(chē)輪滾動(dòng)半徑（）；為主減速器從動(dòng)齒輪到車(chē)輪之間的傳動(dòng)比；為主減速器主動(dòng)齒輪到車(chē)輛之間的傳動(dòng)效率。
取，=1.1，=0.85，=0.478，=1，=90%，代入上式（5-4），計(jì)算得
。
由式（5-3）和式（5-4）求得的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，是作用到從動(dòng)錐齒輪上的最大轉(zhuǎn)矩，不同于用式（5-6）求得的日常行駛平均轉(zhuǎn)矩。當(dāng)計(jì)算錐齒輪最大應(yīng)力時(shí)，計(jì)算轉(zhuǎn)矩=min[，] ，；當(dāng)計(jì)算錐齒輪疲勞壽命時(shí)，取 。
主動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為
(5-5)
式中，為主動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（）；為主傳動(dòng)比；為主、從動(dòng)錐齒輪間的傳動(dòng)效率，計(jì)算時(shí)對(duì)于弧齒錐齒輪副，取95%，對(duì)于雙曲面齒輪副，當(dāng)>6時(shí)，取85%，當(dāng)≤6時(shí)，取90%。
取=5.28，=90%，代入上式（5-5），得。
3. 按汽車(chē)日常行駛平均轉(zhuǎn)矩確定從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩
(5-6)
式中，為計(jì)算轉(zhuǎn)矩（）；為汽車(chē)日常行駛平均牽引力（N）；，為整車(chē)裝備質(zhì)量。
取，=0.478，=1，=90%，，，，，代入上式（5-6），計(jì)算得
。
主動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為
5.2 主減速器錐齒輪主要參數(shù)的選擇
主減速器錐齒輪的主要參數(shù)有主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)和、從動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑和端面模數(shù)、主、從動(dòng)錐齒輪齒面寬和、雙曲面齒輪副的偏移距、中點(diǎn)螺旋角、法向壓力角等。
1. 主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)和
選擇主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)時(shí)應(yīng)考慮如下因素：
1)為了磨合均勻，、之間應(yīng)避免有公約數(shù)。
2)為了得到理想的齒面重合度和高的輪齒彎曲強(qiáng)度，主、從動(dòng)齒輪齒數(shù)和應(yīng)不少于40。
3)為了嚙合平穩(wěn)、噪聲小和具有高的疲勞強(qiáng)度，對(duì)于乘用車(chē)，一般不少于9；對(duì)于商用車(chē)，一般不少于6。
4)主傳動(dòng)比較大時(shí)，盡量取得少些，以便得到滿(mǎn)意的離地間隙。
5)對(duì)于不同的主傳動(dòng)比，和應(yīng)有適宜的搭配。
初選主動(dòng)錐齒輪齒數(shù)，則從動(dòng)錐齒輪，取整為58。重新計(jì)算主減速比為。
重新計(jì)算。
2. 從動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑和端面模數(shù)
對(duì)于單級(jí)主減速器，增加尺寸會(huì)影響驅(qū)動(dòng)橋殼高度尺寸和離地間隙，減少又影響跨置式主動(dòng)齒輪的前支承座的安裝空間和差速器的安裝。
可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初選，即
(5-7)
式中，為從動(dòng)齒輪大端分度圓直徑（mm）；為直徑系數(shù)，一般為13.0~15.3；為從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（）,。
取=15，由式（5-7）計(jì)算并取整得。
由下式公式確定
。
式中，為齒輪端面模數(shù)。
同時(shí)，還應(yīng)滿(mǎn)足
(5-8)
式中，為模數(shù)系數(shù)，取0.3~0.4。
此處，由式（5-8）計(jì)算得。
取兩個(gè)計(jì)算結(jié)果的較小值并取整數(shù)為，重新計(jì)算端面直徑為。
3. 主從動(dòng)錐齒輪齒面寬和
錐齒輪齒面過(guò)寬并不能增大齒輪的強(qiáng)度和壽命，反而會(huì)導(dǎo)致因錐齒輪輪齒小端齒溝變窄引起的切削刀頭頂面寬過(guò)窄及刀尖圓角過(guò)小。這樣，不但減小了齒根圓角半徑，加大了應(yīng)力集中，還降低了刀具的使用壽命。此外，安裝時(shí)有位置偏差或由于制造、熱處理變形等原因，使齒輪工作時(shí)載荷集中于輪齒小端，會(huì)引起輪齒小端過(guò)早損壞和損傷。另外，齒面過(guò)寬也會(huì)引起裝配空間減小。但是齒面過(guò)窄，輪齒表面的耐磨性會(huì)降低。
對(duì)于從動(dòng)錐齒輪齒面寬，推薦不大于其節(jié)錐距的0.3倍，即≤0.3，而且應(yīng)滿(mǎn)足≤10，一般也推薦=0.155。對(duì)于弧齒錐齒輪，一般比大10%。
從動(dòng)齒面寬，校核，也滿(mǎn)足。
主動(dòng)齒面寬。
4. 雙曲面齒輪副偏移距E
E值過(guò)大將使齒面縱向滑動(dòng)過(guò)大，從而引起齒面早期磨損和擦傷；E值過(guò)小，則不能發(fā)揮雙曲面齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)。一般對(duì)于乘用車(chē)和總質(zhì)量不大的商用車(chē)，E≤0.2，且E≤40%；對(duì)于總質(zhì)量較大的商用車(chē)，E≤（0.10~0.12），且E≤20%。另外，主傳動(dòng)比越大，則E也應(yīng)越大，但應(yīng)保證齒輪不發(fā)生根切。
5. 中心螺旋角
螺旋角沒(méi)齒寬是變化的，輪齒大端的螺旋角最大，輪齒小端的螺旋角最小。
弧齒錐齒輪副的中心螺旋角是相等的，雙曲面齒輪副的中心螺旋角是不相等的。
選擇時(shí)，應(yīng)考慮它對(duì)齒面重合度、輪齒強(qiáng)度和軸向力大小的影響。越大，剛也越大，同時(shí)嚙合的盼數(shù)越多，傳動(dòng)就越平穩(wěn)，噪聲越低，而且輪齒的強(qiáng)度越高。一般應(yīng)不小于1.25，在1.5~2.0時(shí)效果最好。但是過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致軸向力增大。
汽車(chē)主減速器弧齒錐齒輪螺旋角或雙曲面齒輪副的平均螺旋角一般為35°到40°。乘用車(chē)選用較大的值以保證較大的，使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低；商用車(chē)選用較小的值以防止軸向力過(guò)大，通常取35°。
此處取。
6. 螺旋方向
從錐齒輪錐頂看，齒形從中心線上半部向左傾斜為左旋，向右傾斜為右旋。主、從動(dòng)錐齒輪的螺旋方向是想反的。螺旋方向與錐齒輪的旋轉(zhuǎn)方向影響其所受軸向力的方向。當(dāng)變速器掛前進(jìn)擋時(shí)，應(yīng)使主動(dòng)齒輪的軸向力離開(kāi)錐頂方向，這樣可使主、從動(dòng)齒輪有分離趨勢(shì)，防止輪齒因卡死而損壞。
此處主動(dòng)錐齒輪左旋，從動(dòng)齒輪右旋。
7. 法向壓力角
法向壓力角在一些可以增加輪齒強(qiáng)度，減少齒輪不發(fā)生根切的最少齒數(shù)。但對(duì)于小尺寸的齒輪，壓力角大易使齒頂變尖及刀尖寬度過(guò)小，并使齒輪端面重合度下降。因此，對(duì)于小負(fù)荷工作的齒輪，一般采用小壓力角，可使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低。對(duì)于弧齒錐齒輪，乘用車(chē)的一般選用14°30’或16°，商用車(chē)的為20°或22°30’。對(duì)于雙曲面齒輪，從動(dòng)齒輪輪齒兩側(cè)的壓力角是相同的，但主動(dòng)齒輪輪齒兩側(cè)的壓力角是不等的。選取平均壓力角時(shí)，乘用車(chē)為19°或20°，商用車(chē)為20°或22°30’。
此處取法向壓力角為20°。
5.3 主減速器錐齒輪強(qiáng)度計(jì)算
輪齒損壞形式主要有彎曲疲勞折斷、過(guò)載折斷、齒面點(diǎn)蝕及剝落、齒面膠合、齒面磨損等。下面所介紹的強(qiáng)度驗(yàn)算是近似的，在實(shí)際設(shè)計(jì)中還要依據(jù)臺(tái)架和道路試驗(yàn)及實(shí)際使用情況等來(lái)檢驗(yàn)。
1.單位齒長(zhǎng)圓周力
主減速器錐齒輪的表面耐磨性，常用輪齒上的單位齒長(zhǎng)圓周力來(lái)估算，即
(5-9)
式中，為輪齒上的單位齒長(zhǎng)圓周力（）；為作用在輪齒上的圓周力（）；為從動(dòng)齒輪的齒面寬度（）。
按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算時(shí)，
(5-10)
式中，為變速器傳動(dòng)比；為主動(dòng)錐齒輪中點(diǎn)分度圓直徑（）；其他符號(hào)同前。
代入式（5-10），計(jì)算得，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
2.輪齒彎曲強(qiáng)度
錐齒輪輪齒的齒根彎曲應(yīng)力為
(5-11)
式中，為錐齒輪輪齒的齒根彎曲應(yīng)力（）；為所計(jì)算齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（），對(duì)于從動(dòng)齒輪按和。一般由于從動(dòng)齒輪受力較主動(dòng)齒輪大，常只校核從動(dòng)齒輪）；為過(guò)載系數(shù)，一般取1；為尺寸系數(shù)，它反映了材料性質(zhì)的不均勻性，與齒輪尺寸及熱處理等因素有關(guān)，當(dāng)≥1.6mm時(shí)，=(/25.4)；為齒面載荷分配系數(shù)，跨置式結(jié)構(gòu)：=1.0～1.1，懸臂式結(jié)構(gòu)：=1.10～1.25；—質(zhì)量系數(shù)，當(dāng)輪齒接觸良好，齒距及徑向跳動(dòng)精度高時(shí)，=1.0；—所計(jì)算的齒輪齒面寬()；—所討論齒輪大端分度圓直徑()；—所計(jì)算齒輪的輪齒彎曲應(yīng)力綜合系數(shù)。
（1）按計(jì)算的最大彎曲應(yīng)力，，，，，跨置式支承結(jié)構(gòu)取1.0，，，，，計(jì)算得，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
（2）按計(jì)算的接觸疲勞應(yīng)力，，其他參數(shù)同上。計(jì)算得，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
3.輪齒接觸強(qiáng)度
錐齒輪輪齒的齒面接觸應(yīng)力為
(5-12)
式中， 為錐齒輪輪齒的齒面接觸應(yīng)力（）；為主動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑（）；取和中的較小值（）；為尺寸系數(shù)，它考慮了齒輪尺寸對(duì)淬透性的影響，通常取1.0；為齒面品質(zhì)系數(shù)，它取決于齒面的表面粗糙度及表面覆蓋層的性質(zhì)（如鍍銅、磷化處理等），對(duì)于制造精確的齒輪，取1.0；為綜合彈性系數(shù)，鋼對(duì)鋼齒輪：取232.6；為齒面接觸系數(shù)。其他參數(shù)同上。
（1）按計(jì)算的最大彎曲應(yīng)力，，=1.0，，，跨置式支承結(jié)構(gòu)，，，，，，代入式（5-12），計(jì)算得，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
（2）按計(jì)算疲勞接觸應(yīng)力，，其他參數(shù)同上，計(jì)算得，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
5.4 錐齒輪材料
驅(qū)動(dòng)橋錐齒輪的工作條件是相當(dāng)惡劣的，與傳動(dòng)系其他齒輪相比，具有載荷大、作用時(shí)間長(zhǎng)、變化多、有沖擊等特點(diǎn)，是傳動(dòng)系中的薄弱環(huán)節(jié)。錐齒輪材料應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：
（1）具有高的彎曲疲勞強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)度，齒面具有高的硬度以保證有高的耐磨性。
（2）輪齒心部就有適當(dāng)?shù)捻g性以適應(yīng)沖擊載荷，避免在沖擊載荷下齒折
斷。
（3）鍛造性能、可加工傾向于及熱處理性能良好，熱處理后變形小或變形
規(guī)律易控制。
（4）選擇合金材料時(shí)，盡量少用含鎳、鉻元素的材料，而是選用含錳、
釩、硼、鈦、鉬、硅等元素的合金鋼。
汽車(chē)主減速器錐齒輪目前常用滲碳合金鋼制造，主要有20CrMnTi
20MnTiB、22CrNiMo、16SiMn2WMoV等。
為改善新齒輪的磨合，防止其在運(yùn)行初期出現(xiàn)早期的磨損、擦傷或咬死，錐齒輪在熱處理及精加工后，做厚度為0.005~0.020mm的磷化處理或鍍銅、鍍錫處理，對(duì)齒面進(jìn)行應(yīng)力噴丸處理。對(duì)齒面進(jìn)行應(yīng)力噴丸處理，可提高齒輪壽命的25%。對(duì)于滑動(dòng)速度高的齒輪可進(jìn)行滲硫處理，以提高耐磨性。滲硫后因數(shù)可顯著降低，這樣即使?jié)櫥瑮l件較差，也能防止齒面擦傷、咬死和膠合。
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